TC4鈦合金是目前用途最廣的兩相鈦合金，由密排六方結(jié)構(gòu)的 α 相和體心立方結(jié)構(gòu)的 β 相構(gòu)成。具有比強度高、耐蝕性好，抗疲勞和抗裂紋擴展能力強等優(yōu)異性能，使其在航空航天、船舶制造、石油化工、生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其航空發(fā)動機葉片和渦輪盤等大多采用 TC4 鈦合金材料 ［ 1-2 ］ 。

鈦合金加工材料的制造過程包含熔煉、鍛造或軋制及熱處理等，其中導(dǎo)致成分偏析的主要因素在鈦合金的熔煉過程。成分偏析在后續(xù)加工中極其容易引起顯微組織的異常，這種異常致使缺陷區(qū)域與正常區(qū)域硬度值不同，繼而導(dǎo)致性能的不均勻 ［ 3-4 ］ 。在零部件長時間服役過程中容易萌生疲勞裂紋源，降低產(chǎn)品的使用壽命，嚴重時即使在正常載荷使用范圍內(nèi)也可導(dǎo)致零件發(fā)生瞬時斷裂。因此，為確保材料的安全性和可靠性，文章對此類缺陷進行了檢驗分析與判別，并對其成因進行了分析，旨在提高產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)過程 ［ 5 ］ 。

1、 實 驗

1.1 實驗材料

以 TC4 合金名義成分配料，通過真空自耗爐熔煉，經(jīng)過軋制成 δ25mm 厚板材。原料取樣分析化學(xué)成分，結(jié)果符合 GB/T3620.1《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果見表 1。采用 CTS-9002PLAS 超聲波探傷儀進行檢測時，儀器顯示波形出現(xiàn)多條異常峰值，確定此區(qū)域可能存在缺陷，超聲探傷見圖 1。在板材上對此區(qū)域進行取樣，進行更加深入地分析。

1.2 實驗設(shè)備

采用 ZEISSObserverZ1m 科研級光學(xué)金相顯微鏡，觀察經(jīng)腐蝕后（腐蝕劑 5%HF+10%HNO3+85H2O）材料的顯微組織。采用 WilsonVH1150 維氏硬度計進行區(qū)域硬度分析，載荷 1kg，加載時間 15s。采用 JSM6480 掃描電鏡進行表面形貌觀察，并對微區(qū)成分進行能譜分析。

2 、結(jié)果與分析

2.1 組織分析

沿延軋制方向逐層對缺陷位置縱剖面進行低倍組織分析，圖 2 為經(jīng)腐蝕（腐蝕劑 10%HF+25%HNO₃ +85H₂O）后的宏觀組織照片。宏觀組織顯示，板材厚度1/2 層處存在條形亮斑，且沿軋制方向向兩側(cè)延伸分布，其周邊組織流線沿缺陷外形分布 ［ 6 ］ 。

圖 3 為 TC4 鈦合金板材正常區(qū)域顯微組織形態(tài)。

從圖 3 中可見，正常區(qū)域為 β 基體上的等軸 α 和拉長 α組織，符合 TC4 作為 α+β 兩相鈦合金的組織特征。圖 4為過渡區(qū)域顯微組織。圖 5 為 TC4 鈦合金板材缺陷區(qū)域不同位置的顯微組織形態(tài)。圖 5a 組織為單相等軸 α 組織，圖 5b 為單相等軸 α+片層狀 α 組織。觀察圖 5 照片中組織，未發(fā)現(xiàn)存在 β 相，分析可得，缺陷區(qū)域應(yīng)該存在成分的差異，從而導(dǎo)致組織上的異?；?/p>

2.2 顯微硬度測試

分別測試正常區(qū)域和缺陷區(qū)域的顯微維氏硬度，測試結(jié)果如表 2。數(shù)據(jù)顯示，正常區(qū)域硬度值在 TC4 維氏硬度值正常范圍內(nèi)，缺陷區(qū)域硬度值明顯低于正常區(qū)域，低于正常區(qū)域約 17%，屬于軟偏析。

2.3 掃描電鏡及能譜分析

圖 6 和表 3 分別為正常區(qū)域和缺陷區(qū)域掃描電鏡組織形貌和能譜成分分析結(jié)果。從表 3 中可見，正常區(qū)域成分接近 TC4 理論值，缺陷區(qū)域釩（V）元素含量為0.37%，與正常區(qū)域相較含量極低，Al 含量略高于正常值，鈦（Ti）元素含量 92.47%明顯高于正常值，由此可以判定此缺陷屬于較為明顯的富鈦偏析 ［ 7-8 ］ 。

2.4 討 論

在鈦合金元素作用中，V 元素屬于 β 相穩(wěn)定元素，起到固溶強化 β 相的作用，Al 元素屬于 α 相穩(wěn)定元素 ［ 9 ］ 。偏析區(qū)域這種貧釩富鋁富鈦的元素濃度，會促使組織向 α 相的轉(zhuǎn)變，與圖 3 中 α+β 組織和圖 4 中單相 α組織的形貌結(jié)論相符?；诓牧暇Ц褡冃螘r位錯研究，兩相結(jié)構(gòu)會阻礙晶格的滑移，使其具有更高的強度和硬度，與正常區(qū)域兩相組織顯微硬度高于偏析區(qū)域單相組織硬度的結(jié)果一致。同時，由于成分偏析和后續(xù)熱變形加工作用，偏析區(qū)域沿軋制方向成亮條分布。

在鈦合金熔煉過程中，多采用真空自耗電弧爐熔煉（VAR）。此方法將海綿鈦與中間合金充分混料后壓制成電極塊，并通過焊接制備成可供熔化的電極棒，經(jīng)多次真空熔煉得到鈦合金鑄錠。熔煉過程中提高壓塊的質(zhì)量，控制好凝固過程相應(yīng)工藝參數(shù)，能有效地減少宏觀偏析，尤其冷卻速度、液體金屬的攪動、電流加熱溫度等 ［ 10-11 ］ 。同時，若熔煉原料海綿鈦和中間合金等配料的粒度不均，也會造成合金元素分布不均，導(dǎo)致局部區(qū)域元素的富集或者貧化，造成偏析缺陷及組織和性能的差異化 ［ 12 ］ 。因此，在熔煉過程中需加強海綿鈦和中間合金的復(fù)檢，提高電極壓制質(zhì)量，嚴格控制相應(yīng)的工藝流程和參數(shù)。

3、 結(jié) 論

（1）通過組織觀察、顯微硬度測試及掃描電鏡能譜分析，此缺陷屬于熔煉過程控制不當(dāng)引起的富鈦偏析。

（2）提高熔煉工藝的穩(wěn)定性、原料粒度的均勻性及電極壓塊的致密度，可有效降低宏觀偏析的形成。

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